شبیه‌ساز کوانتومی ۶۹ کیوبیتی گوگل می‌تواند در محاسبات کلیدی سریع‌ترین ابررایانه‌ها را شکست دهد
تیمی از محققان گوگل و مرکز محاسبات علمی PSI یک شبیه‌ساز کوانتومی جدید توسعه داده‌اند که می‌تواند عملیات کوانتومی دیجیتال و آنالوگ را با دقت بالا انجام دهد.
این شبیه‌ساز شامل ۶۹ کیوبیت ابررساناست و به دانشمندان امکان مطالعه فرآیندهای کوانتومی را می‌دهد که حتی سریع‌ترین ابررایانه‌های زمین نیز قادر به رمزگشایی آن نیستند.
"در اینجا یک شبیه‌ساز کوانتومی ارائه می‌دهیم که از هر دو درگاه کوانتومی جهانی و تکامل آنالوگ با وفاداری بالا پشتیبانی می‌کند، با عملکردی فراتر از شبیه‌سازی کلاسیک در آزمایش‌های ارزیابی آنتروپی متقابل"، محققان یادداشت می‌کنند .
در حالی که رایانه‌های کوانتومی برای انجام محاسبات متنوع طراحی شده‌اند، این شبیه‌ساز برای مدل‌سازی سیستم‌های کوانتومی تخصصی شده است. این می‌تواند فرآیندهای فیزیکی را در یک محیط کنترل‌شده شبیه‌سازی کند، که آن را به ابزاری مؤثرتر برای مطالعه مواد، مغناطیس و ترمودینامیک نسبت به رایانه‌های کوانتومی استاندارد تبدیل می‌کند.
محاسبات کوانتومی دیجیتال در برابر آنالوگ
محاسبات کوانتومی به دو رویکرد تقسیم شده است: دیجیتال و آنالوگ. نوع اول با دستکاری کیوبیت‌ها با استفاده از دروازه‌های کوانتومی کار می‌کنند، مشابه نحوه استفاده رایانه‌های کلاسیک از دروازه‌های منطقی.
این برای حل طیف وسیعی از مسائل محاسباتی مرتبط با الگوریتم‌ها، یادگیری ماشین و رمزنگاری ایده‌آل است. به عنوان مثال، یک ماز پیچیده و بزرگ را تصور کنید که دارای مسیرها و بن‌بست‌های بی‌شماری است. یک رایانه کلاسیک هر مسیر را یکی یکی بررسی می‌کند تا خروجی را پیدا کند که ممکن است زمان زیادی ببرد.
از سوی دیگر، یک رایانه کوانتومی دیجیتال می‌تواند به لطف ویژگی‌های کوانتومی مانند برهم‌نهی، چندین مسیر را به‌طور همزمان بررسی کند. سپس، با استفاده از دروازه‌های کوانتومی برای پردازش اطلاعات، می‌تواند سریعاً به مسیر درست خروج از ماز پی ببرد، حتی اگر ماز به شدت پیچیده باشد.
یک رایانه کوانتومی آنالوگ حتی جالب‌تر است. به جای انجام عملیات منطقی گام به گام مانند یک رایانه کوانتومی دیجیتال، مستقیماً رفتار یک سیستم فیزیکی را با نگاشت ذرات کوانتومی بر روی کیوبیت‌ها تقلید می‌کند. اساساً، می‌تواند تعامل بین مولکول‌ها و ذرات را در یک محیط کنترل‌شده شبیه‌سازی کند.
برای مثال، فرض کنید می‌خواهید ببینید چگونه الکترون‌ها در یک ماده پیچیده مانند یک ابررسانای دمای بالا حرکت می‌کنند.
به جای حل معادلات با استفاده از یک رایانه کوانتومی دیجیتال، یک شبیه‌ساز کوانتومی آنالوگ سیستمی مصنوعی با کیوبیت‌هایی ایجاد می‌کند که شبیه به الکترون‌ها در ماده رفتار می‌کنند و به محققان اجازه می‌دهد تا به‌طور همزمان تعاملات کوانتومی را مشاهده کنند.
ساخت یک سیستم دو در یک
هر دو رایانه کوانتومی دیجیتال و آنالوگ دارای نواقص و مزایای خود هستند. برای مثال، رایانه‌های آنالوگ سریع‌تر هستند اما برنامه‌ریزی آن‌ها دشوارتر است، در حالی که رایانه‌های دیجیتال نسبتاً کندتر هستند اما برنامه‌ریزی آن‌ها آسان‌تر است.
شبیه‌ساز کوانتومی جدیدًا توسعه‌یافته بهترین ویژگی‌های هر دو سیستم دیجیتال و آنالوگ را ترکیب می‌کند. "این دو رویکرد - دیجیتال و آنالوگ - اکنون به‌طور موفقیت‌آمیز در یک آزمایش که نقاط قوت هر دو جهان را گرد هم می‌آورد، ترکیب شده‌اند"، نویسندگان مطالعه یادداشت می‌کنند .
این دستگاه قادر به انجام محاسبات پیچیده است در حالی که تعاملات ذرات را شبیه‌سازی می‌کند. به عنوان مثال، برای اعتبارسنجی رویکرد خود، محققان از شبیه‌ساز کوانتومی برای مطالعه فرآیند گرمایش استفاده کردند - اینکه چگونه یک سیستم در طول زمان به تعادل حرارتی می‌رسد.
آن‌ها آزمایش خود را با مثال فنجان قهوه توضیح دادند. به گفته محققان، هیچ رایانه کلاسیکی نمی‌تواند تعاملات کوانتومی را که باعث پراکندگی شیر سرد هنگام چکیدن در قهوه داغ می‌شوند توضیح دهد.
با این حال، با استفاده از شبیه‌ساز کوانتومی، به جای ریختن تصادفی شیر، محققان ابتدا می‌توانند قطرات شیر را به‌طور همزمان در ۱۰۰ مکان خاص در فنجان آزاد کنند. این سطح کنترل مانند جنبه دیجیتال شبیه‌ساز کوانتومی است - این امکان را به دانشمندان می‌دهد تا شرایط اولیه را به شیوه‌ای ساختاریافته و انعطاف‌پذیر تنظیم کنند.
وقتی شیر وارد قهوه می‌شود، در همان ۱۰۰ نقطه خاص نمی‌ماند - به‌طور طبیعی پخش می‌شود و الگوهایی را در حالی که با قهوه مخلوط می‌شود تشکیل می‌دهد. این پخش به دلیل جریان طبیعی مایع و گرمای موجود در قهوه اتفاق می‌افتد. این بخش شبیه حالت آنالوگ در شبیه‌ساز کوانتومی است - این امکان را به کیوبیت‌ها می‌دهد تا به‌طور طبیعی تعامل کنند و رفتار واقعی کوانتومی را شبیه‌سازی کنند.
شبیه‌ساز کوانتومی می‌تواند درهای بسیاری را بگشاید
مثال فنجان قهوه فقط نمونه کوچکی از آنچه شبیه‌ساز کوانتومی دیجیتال-آنالوگ می‌تواند انجام دهد، است. این دستگاه دارای پتانسیل علمی و تکنولوژیکی گسترده‌ای است.
به عنوان مثال، در فیزیک ماده چگالیده، می‌تواند به محققان کمک کند تا حالات مغناطیسی عجیب مانند مغناطیس‌گرایی سرخورده را که برای توسعه تکنولوژی‌های محاسباتی جدید بر اساس چرخش الکترون به جای بار ضروری است، مطالعه کنند.
این شبیه‌ساز ممکن است همچنین به علم مواد کمک کند تا ابررساناهای دمای بالا را طراحی کند که می‌تواند انتقال انرژی را تحول بخشد. به علاوه، می‌تواند به توسعه داروهای بهتر و امن‌تر کمک کند چرا که تعاملات مولکولی پیچیده را دقیق‌تر از رایانه‌های کلاسیک مدل‌سازی می‌کند.
با این حال، نویسندگان مطالعه نیاز دارند که شبیه‌ساز را مقیاس‌دهی کرده و آن را بسیار قوی‌تر کنند تا بتوانند تمامی قابلیت‌های ذکر شده را تحقق بخشند.
این مطالعه در مجله طبیعت منتشر شده است.
